一种新的微电子设备可以通过使用电脉冲按需对计算机硬件进行编程和重新编程

如果计算机可以根据接收到的信息学习重新连接电路会怎样？

美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室等多家机构合作创造了一种材料，可用于制造可以做到这一点的计算机芯片。它通过所谓的“神经形态”电路和计算机架构来复制大脑功能来实现这一点。

“人类的大脑实际上可以通过学习新事物而改变，”在阿贡和伊利诺伊大学芝加哥分校联合任命的论文合著者苏布拉马尼安·桑卡拉纳拉亚南说。“我们现在已经为机器创建了一种设备，可以以类似大脑的方式重新配置其电路。”

有了这种能力，基于人工智能的计算机可以更快、更准确地完成困难的工作，同时使用更少的能源。一个例子是分析复杂的医学图像。太空中的自动驾驶汽车和机器人可能会根据经验重新连接其电路，这是一个更具未来感的例子。

镍酸盐中的氢离子可在不同电压下实现四种功能之一（由顶部的铂和金电极施加）。功能是人工突触、人工神经元、电容器和电阻器。电容器储存和释放电流；电阻器阻止它。

图片来源：阿贡国家实验室

新器件的关键材料由钕、镍和氧组成，被称为钙钛矿镍酸盐。该团队在这种材料中注入了氢气，并在其上连接了电极，允许以不同的电压施加电脉冲。

“镍酸盐中有多少氢，它在哪里，会改变电子特性，” 苏布拉马尼安·桑卡拉纳拉亚南说。“而且我们可以用不同的电脉冲改变它的位置和浓度。”

“这种材料具有多层次的个性，”论文合著者、阿贡物理学家周华补充道。“它具有日常电子产品的两个常用功能——电流的开启和阻断以及电力的储存和释放。真正新颖和引人注目的是增加了两个功能，类似于大脑中突触和神经元的独立行为。”神经元是通过突触与其他神经细胞连接的单个神经细胞。神经元开始感知外部世界。

为了做出贡献，阿贡团队对镍酸盐装置在不同电压下发生的情况进行了计算和实验表征。为此，他们依赖于美国能源部科学办公室在阿贡的用户设施：高级光子源、阿贡领导计算设施和纳米材料中心。

实验结果表明，简单地改变电压可以控制镍酸盐内氢离子的运动。一定的电压将氢集中在镍酸盐中心，产生类似神经元的行为。不同的电压将氢从中心穿出，产生类似突触的行为。在仍然不同的电压下，氢的最终位置和浓度会引发计算机芯片的开关电流。

“我们在原子尺度上揭示这种机制的计算非常密集，”阿贡科学家苏克里蒂·马纳说。该团队不仅依靠阿贡领导计算设施的计算能力，还依靠劳伦斯伯克利国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施国家能源研究科学计算中心的计算能力。

该机制的确认部分来自高级光子源的光束线33-ID-D的实验。

“多年来，我们与普渡集团建立了非常富有成效的合作伙伴关系，”周说，“在这里，该团队确定了原子在不同电压下在镍酸盐中的排列方式。尤其重要的是在原子尺度上跟踪材料对氢运动的反应。”

借助该团队的镍酸盐装置，科学家们将努力创建一个可以从经验中学习和修改的人工神经元和突触网络。这个网络会随着新信息的出现而增长或缩小，因此能够以极高的能源效率工作。这种能源效率转化为更低的运营成本。

以团队的设备为基础的受大脑启发的微电子学可能会有光明的未来。该设备可以通过与半导体行业实践兼容的技术在室温下制造。

参考：“用于人工智能的可重构钙钛矿镍酸盐电子产品”，作者Hai-TianZhang、TaeJoonPark、ANMNafiulIslam、DatSJTran、SukritiManna、QiWang、SandipMondal、HaomingYu、SuvoBanik、ShaoboCheng、HuaZhou，SampathGamage,SayantanMahapatra,YimeiZhu,YohannesAbate,NanJiang,SubramanianKRSSankaranarayanan,AbhronilSengupta,ChristofTeuscher和ShriramRamanathan，2022年2月3日，科学。